Двенадцать модельных организмов

Привет! Меня зовут Сергей Мошковский. Дорогая редакция «Биомолекулы», выпустив настенный календарь о модельных организмах на 2020 год, заказала было мне лонгрид, который должен был, как суровый конвой, сопровождать календарь на сайте. Минутная слабость — сколько их было в жизни! — и я уже соглашаюсь. Но как писать? Ведь о каждой модельной скотинке, нарисованной на календаре, — как и о нескольких десятках не поместившихся туда, — написаны тома научной и даже популярной литературы. Придется писать не по-журналистски, из головы — как бы не вышло чего-то вроде поэмы «Москва — Петушки», где вместо станций — модельные организмы. Я и еще несколько авторов представляем вам на суд собранье пестрых глав — они будут выходить в течение всего 2020 года. Читатель, прости! Ты знаешь, кого за это винить!

Элегантный стержень — Прозрачное окно в биологию — Гены-регуляторы — 959 клеток и ни одной больше — Коннектом — Good night sweet prince — Биологический дозиметр

Нематода Caenorhabditis elegans — это миниатюрный и совершенно прозрачный червь (рис. 1), но она совсем не похожа, скажем, на дождевых червей, выбирающихся на поверхность земли во время дождя. В отличие от дождевого червя, нематода относится к типу круглых червей и устроена гораздо проще, а ее размер составляет всего миллиметр. C. elegans совершенно безобидна: она не патогенна и не заразна, не паразитирует на людях. Живет себе тихонечко на разлагающейся органике и питается микроорганизмами. Нематоды C. elegans представлены в двух комплектациях: гермафродиты и самцы. Они имеют уникальный дизайн: если сильно упрощать, то нематода состоит лишь из кишечника и репродуктивных органов — ничего лишнего!

Исследователю Эмилю Маупасу, который впервые обнаружил нематоду в 1897 году [1], она напомнила элегантный прут или стержень, вот он и назвал ее Rhabditides elegans (от греческого rhabditis (стержнеподобный) и латинского elegans (элегантный)). Уже позже ее переименовали в Caenorhabditis elegans.

Модельным организмом C. elegans стала сравнительно недавно: ею заинтересовался молекулярный биолог Сидней Бреннер. В 1960-х годах Бреннер сделал большой вклад в изучение молекулярной биологии генетического кода, а потом переключился на биологию развития, в том числе развития нервной системы. Нематода приглянулась ему, потому что ее просто выращивать в больших количествах (на чашке Петри, заселенной бактериями; см. видео 1) и легко производить с ней генетические манипуляции. C. elegans живет 2–3 недели, а воспроизводится всего за 3–4 дня! Позже, в 2002 году, Бреннер разделил Нобелевскую премию с Робертом Хорвицем и Джоном Салстоном за исследования генетической регуляции развития органов и апоптоза, проведенные на нематоде, и назвал свою Нобелевскую лекцию «Подарок науке от природы» (Nature’s gift to science).

Что же такого природа подарила ученым в лице (хммм, назовем лицом C. elegans ту часть, на которой располагается рот) миниатюрной нематоды? На самом деле вы удивитесь, как много процессов, напрямую относящихся к биологии и заболеваниям человека, можно изучать на C. elegans: эмбриональное и постэмбриональное развитие, функции нервной системы, клеточную смерть [2], РНК-интерференцию [3], нейродегенеративные заболевания [4], поведение, циркадные ритмы [5] и сон [6]. Но главное — развитие нематоды строго детерминировано, то есть проходит одинаково у всех представителей C. elegans — благодаря этому ученым удалось сосчитать все соматические клетки червяка и проследить судьбу каждой из них от оплодотворения до стадии взрослого животного [7]. У взрослой нематоды-гермафродита 959 клеток (у самцов — 1031 клетка, но самцы встречаются довольно редко — около одного-двух самцов на тысячу особей). Ключевые гены и молекулярные каскады, регулирующие эмбриональное развитие и апоптоз (запрограммированную клеточную смерть) тоже были открыты на C. elegans [2].

Кроме того, самооплодотворяющиеся гермафродиты C. elegans — настоящий подарок для генетиков [8]. Во-первых, это облегчает содержание и разведение нематод, так как одна особь может дать начало целой популяции. Во-вторых — вытесняет гетерозиготность и делает популяцию изогенной, то есть очень схожей по генетическим признакам, что облегчает генетический анализ. В-третьих, самооплодотворение у нематод подчиняется менделевскому закону расщепления признаков, а это гарантирует, что у предка, гетерозиготного по определенному рецессивному признаку, четверть потомства будет гомозиготным по мутантному аллелю, что позволяет изучать гены, связанные с аутосомно-рецессивными заболеваниями. При этом на ранних стадиях работы с нематодами особей с желаемыми мутациями обнаруживали в основном по фенотипу, то есть по тому, как менялся вид или поведение червяка после внесения интересующей исследователя мутации. Сейчас для этого используются различные маркеры (в основном флуоресцентные [9]), позволяющие пометить особей, несущих интересующие признаки. Флуоресценцию легко обнаружить, так как тело C. elegans совсем прозрачное, и для этого ученые уже вовсю используют специальные «сортеры нематод» (надо полагать, превзошедшие собой сортеры клеток [10]): приборы, которые автоматически детектируют флуоресценцию и сортируют нематод по разным пробиркам (рис. 3).

С начала спецпроекта «Биомолекулы» о модельных организмах мы уже познакомили читателей с фагом лямбда [11], кишечной палочкой [12], грибами [13] и растением Arabidopsis thaliana [14] — ни у одного из них не было обнаружено (и можно сказать, что уже и не будет) нервной системы. Нематода C. elegans — самый «простой» модельный организм, обладающий нервной системой. Гидры, например, тоже ею обладают, но им не повезло стать настолько классическим модельным организмом, хотя ученые изучают и их [15]. Более того, нервная система гидры диффузная — то есть нейроны равномерно раскиданы по телу, а у C. elegans уже имеется центральное скопление нейронов — окологлоточное нервное кольцо, которое можно считать очень примитивным зачатком мозга. Согласно подсчетам клеток нематоды, у взрослой особи C. elegans 302 нейрона. Такое небольшое их количество прельщало исследователей с самого начала. Первая попытка реконструировать коннектóм — карту всех соединений нейронов организма — с использованием снимков с электронного микроскопа была предпринята под руководством Сиднея Бреннера еще в 1975 году [16], но тогда он сосредоточился только на 58 нейронах в голове нематоды. В 1986 году его группа опубликовала почти полную карту связей 302 нейронов C. elegans, которая включала в себя более 7000 синапсов (рис. 4а и видео 2) [17]. В 2011 году уже другая группа ученых опубликовала еще более детальную версию коннектома нематоды (рис. 4б) [18] и предложила более удобные способы анализа и визуализации таких данных [19]. До недавнего времени C. elegans оставалась единственным организмом, способным похвастаться своим коннектомом, но в 2018 году был реконструирован полный коннектом плодовой мушки дрозофилы [20], состоящий из более чем 100 000 нейронов. О дрозофиле как модельном организме мы расскажем в июле.

Другим ключевым открытием, которым мы обязаны C. elegans, является механизм РНК-интерференции [3], которая позволяет «заглушить» экспрессию определенного гена с помощью двухцепочечного фрагмента РНК, одна из цепей которого комплементарна гену. Здесь снова на руку ученым сыграла простота обращения с нематодой — достаточно скормить ей бактерий, синтезирующих необходимую РНК-заглушку, и фрагмент двухцепочечной РНК распространяется по всему организму C. elegans, заглушая ген во всех клетках! За это открытие Эндрю Файер и Крэйг Мэлло удостоились Нобелевской премии в 2006 году. А сам механизм в наши дни, более чем десятилетие спустя, наконец-то ложится в основу новейших лекарственных препаратов [21], [22].

Количество областей, в которых C. elegans играет роль модельного организма сегодня, трудно обозреть. Нематоду назвали простейшим организмом, у которого был обнаружен сон, и даже нашли единственный нейрон, индуцирующий состояние, подобное сну [23]: если этот нейрон активировать при помощи оптогенетики [24], нематода засыпает. После обнаружения гена, мутация которого продлевает срок жизни C. elegans вдвое [25], на них вовсю начали исследовать процессы, связанные со старением и длительностью жизни. Еще одна группа обнаружила, что нематоды тоже могут становиться зависимыми от никотина [26]: они демонстрируют такие же поведенческие реакции, как и курильщики, а значит, на них можно исследовать генетические механизмы никотиновой зависимости [27]. А NASA использовало C. elegans для изучения мышечной адаптации и влияния радиации на клетки в космосе, а также предложило использовать специальный штамм нематоды в качестве «биологического дозиметра», способного отслеживать уровень влияния радиации и скорость накопления вызванных ею мутаций.

Читатель, не презирай нематоду! Она по-своему красива и изящна (рис. 5). Теперь ты знаком с ее достоинствами и наверняка ожидаешь встречи со следующими модельными организмами — моллюсками — через месяц.

Литература

1. Marie-Anne Félix, Christian Braendle. (2010). The natural history of Caenorhabditis elegans. Current Biology. 20, R965-R969;
2. Апоптоз, или Путь самурая;
3. Обо всех РНК на свете, больших и малых;
4. Adanna G. Alexander, Vanessa Marfil, Chris Li. (2014). Use of Caenorhabditis elegans as a model to study Alzheimer’s disease and other neurodegenerative diseases. Front. Genet.. 5;
5. Тик-так по-шведски. Нобелевская премия за циркадные ритмы;
6. Сон и старение I: «Часы в мозге» и влияние генов на ритм жизни;
7. J.E. Sulston, E. Schierenberg, J.G. White, J.N. Thomson. (1983). The embryonic cell lineage of the nematode Caenorhabditis elegans. Developmental Biology. 100, 64-119;
8. Ann K. Corsi, Bruce Wightman, Martin Chalfie. (2015). A Transparent Window into Biology: A Primer onCaenorhabditis elegans. Genetics. 200, 387-407;
9. Флуоресцентные репортеры и их молекулярные репортажи;
10. 12 методов в картинках: проточная цитофлуориметрия;
11. Модельные организмы: фаг лямбда;
12. Модельные организмы: кишечная палочка;
13. Модельные организмы: грибы;
14. Модельные организмы: арабидопсис;
15. «Бесхозные» гены отвечают за морфологию гидр;
16. Samuel Ward, Nichol Thomson, John G. White, Sydney Brenner. (1975). Electron microscopical reconstruction of the anterior sensory anatomy of the nematodecaenorhabditis elegans. J. Comp. Neurol.. 160, 313-337;
17. White J.G., Southgate E., Thomson J.N., Brenner S. (1986). The structure of the nervous system of the nematode Caenorhabditis elegans. Phil. Trans. R. Soc. Lond. B. 314, 1-340;
18. Lav R. Varshney, Beth L. Chen, Eric Paniagua, David H. Hall, Dmitri B. Chklovskii. (2011). Structural Properties of the Caenorhabditis elegans Neuronal Network. PLoS Comput Biol. 7, e1001066;
19. «Омики» — эпоха большой биологии;
20. Zhihao Zheng, J. Scott Lauritzen, Eric Perlman, Camenzind G. Robinson, Matthew Nichols, et. al.. (2018). A Complete Electron Microscopy Volume of the Brain of Adult Drosophila melanogaster. Cell. 174, 730-743.e22;
21. Первый препарат на основе РНК-интерференции: смерть мРНК — жизнь пациенту!;
22. РНК-интерференция: повторный успех;
23. Jan Spies, Henrik Bringmann. (2018). Automated detection and manipulation of sleep in C. elegans reveals depolarization of a sleep-active neuron during mechanical stimulation-induced sleep deprivation. Sci Rep. 8;
24. Светлая голова;
25. Cynthia Kenyon, Jean Chang, Erin Gensch, Adam Rudner, Ramon Tabtiang. (1993). A C. elegans mutant that lives twice as long as wild type. Nature. 366, 461-464;
26. Никотин как алкалоид;
27. Zhaoyang Feng, Wei Li, Alex Ward, Beverly J. Piggott, Erin R. Larkspur, et. al.. (2006). A C. elegans Model of Nicotine-Dependent Behavior: Regulation by TRP-Family Channels. Cell. 127, 621-633;
28. James R. Cypser, Deqing Wu, Sang-Kyu Park, Takamasa Ishii, Patricia M. Tedesco, et. al.. (2013). Predicting longevity in C. elegans: Fertility, mobility and gene expression. Mechanisms of Ageing and Development. 134, 291-297.